JP2018146491A - Analysis method of composite material and computer program for analyzing composite material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複合材料の解析方法及び複合材料の解析用コンピュータプログラムに関し、例えば、フィラー及びポリマーを含む複合材料を解析可能な複合材料の解析方法及び複合材料の解析用コンピュータプログラムに関する。 The present invention relates to a composite material analysis method and a composite material analysis computer program. For example, the present invention relates to a composite material analysis method and a composite material analysis computer program capable of analyzing a composite material including a filler and a polymer.
従来、分子動力学を用いた複合材料のシミュレーション方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載の複合材料のシミュレーション方法では、モデル作成領域内にポリマーモデル及びフィラーモデルを含む複合材料モデルを作成した後、フィラーモデル表面の結合位置にポリマーモデルを結合する。これにより、特許文献1に記載の複合材料の解析用モデルの作成方法では、フィラー表面におけるポリマー粒子の結合状態が、複合材料の材料特性に与える影響を解析することが可能となる。 Conventionally, a simulation method of a composite material using molecular dynamics has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In the composite material simulation method described in Patent Document 1, a composite material model including a polymer model and a filler model is created in a model creation region, and then the polymer model is coupled to a coupling position on the filler model surface. Thus, in the method for creating the composite material analysis model described in Patent Document 1, it is possible to analyze the influence of the bonding state of the polymer particles on the filler surface on the material properties of the composite material.
ところで、低燃費タイヤの開発を加速するためには、タイヤ変形に伴うエネルギーロス(ヒステリシス)とタイヤナノ構造との関係を明らかにすることが有効である。低燃費タイヤに用いられる複合材料の材料特性は、フィラーの配置及び構造の影響を強く受けているものと考えられている。このため、複合材料の材料開発では、例えば、複合材料中に存在するフィラー凝集構造などが複合材料の力学応答に及ぼす影響を調査することが有効である。 By the way, in order to accelerate the development of a fuel-efficient tire, it is effective to clarify the relationship between energy loss (hysteresis) accompanying tire deformation and the tire nanostructure. It is considered that the material characteristics of the composite material used for the fuel-efficient tire are strongly influenced by the arrangement and structure of the filler. For this reason, in the material development of the composite material, it is effective to investigate, for example, the influence of the filler aggregation structure existing in the composite material on the mechanical response of the composite material.
しかしながら、従来の複合材料の解析方法では、フィラーモデルが略球状の形状を有するので、一般的な解析条件ではフィラーモデル間に引力が作用する領域が少なく、数値解析時にフィラーモデル間の引力によって複合材料モデル中のフィラー凝集構造を保持することは困難であった。また、数値解析時にフィラーモデル間に作用する引力の有効範囲が大きい相互作用ポテンシャルを設定してフィラー凝集構造を保持することも考えられる、この場合には数値解析の計算時間が莫大に増加する問題がある。このため、従来の複合材料の解析方法では、複合材料モデル中のフィラー凝集構造を保持した状態で各種数値解析が十分になされていない実情がある。 However, in the conventional analysis method for composite materials, the filler model has a substantially spherical shape. Therefore, under general analysis conditions, there are few regions where the attractive force acts between the filler models. It was difficult to maintain the filler aggregation structure in the material model. It is also conceivable to set an interaction potential with a large effective range of attractive force acting between the filler models during numerical analysis to maintain the filler aggregation structure. In this case, the calculation time of numerical analysis increases enormously. There is. For this reason, in the conventional composite material analysis method, various numerical analyzes are not sufficiently performed in a state where the filler aggregate structure in the composite material model is maintained.
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、複合材料モデル中のフィラー凝集構造を保持した状態で各種数値解析が可能な複合材料の解析方法、及び複合材料の解析用コンピュータプログラムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a composite material analysis method and a composite material analysis computer program capable of performing various numerical analyzes in a state in which a filler aggregation structure in a composite material model is maintained. The purpose is to provide.
本発明の複合材料の解析方法は、コンピュータを用いた分子動力学法により作成した複合材料の解析用モデルを用いた複合材料の解析方法であって、ポリマーをモデル化したポリマーモデル及びフィラーをモデル化した複数のフィラーモデルを含む前記複合材料の解析用モデルを作成する第1ステップと、複数の前記フィラーモデル間に少なくとも1つの凝集構造保持結合を作成する第2ステップと、前記凝集構造保持結合が作成された前記複合材料の解析用モデルの数値解析を実行する第3ステップとを含むことを特徴とする。 The composite material analysis method of the present invention is a composite material analysis method using a composite material analysis model created by a molecular dynamics method using a computer, and is a polymer model obtained by modeling a polymer and a filler model. A first step of creating a model for analyzing the composite material including a plurality of filler models, a second step of creating at least one aggregated structure holding bond between the plurality of filler models, and the aggregated structure holding bond And a third step of performing a numerical analysis of the composite material analysis model created.
本発明の複合材料の解析方法によれば、複合材料の解析用モデルの複数のフィラーモデル間に少なくとも1つの凝集構造保持結合を設けるだけで、数値解析時に複合材料の解析用モデル中の2以上のフィラーモデルの凝集を保持することができるので、フィラー凝集構造を保持した状態で各種数値解析を実行することが可能となる。また、凝集構造保持結合を作成することにより、数値解析時にフィラーモデル間に有効範囲の大きい相互作用ポテンシャルを設定することなくフィラー凝集構造を保持できるので、計算時間を大幅に削減することが可能となる。したがって、複合材料の解析方法は、複合材料中のフィラー凝集構造を保持した状態で複合材料の数値解析が可能となる。 According to the composite material analysis method of the present invention, at least one aggregate structure retention bond is provided between a plurality of filler models of a composite material analysis model, and two or more of the composite material analysis models at the time of numerical analysis can be obtained. Since the agglomeration of the filler model can be maintained, various numerical analyzes can be performed while the filler agglomeration structure is maintained. In addition, by creating an aggregated structure-retaining bond, it is possible to maintain the filler aggregated structure without setting an interaction potential with a large effective range between filler models during numerical analysis, which can greatly reduce calculation time. Become. Therefore, the composite material analysis method enables numerical analysis of the composite material in a state in which the filler aggregation structure in the composite material is maintained.
本発明の複合材料の解析方法においては、さらに、前記ポリマーモデルを架橋させるステップを含むことが好ましい。この方法により、複合材料の解析方法は、架橋反応を介してポリマーモデルを予め架橋した状態で、フィラーモデル間に凝集保持結合を作成するので、ポリマーモデルの架橋を考慮した複合材料の各種数値解析が可能となる。したがって、複合材料の解析方法は、複合材料中のフィラー凝集構造を保持した状態でのより正確な複合材料の数値解析が可能となる。 In the composite material analysis method of the present invention, it is preferable to further include a step of crosslinking the polymer model. With this method, the composite material analysis method creates a cohesive retention bond between the filler models in a state in which the polymer model is previously cross-linked through a cross-linking reaction, so various numerical analyzes of the composite material in consideration of cross-linking of the polymer model Is possible. Therefore, the composite material analysis method enables more accurate numerical analysis of the composite material in a state where the filler aggregation structure in the composite material is maintained.
本発明の複合材料の解析方法においては、前記凝集構造保持結合は、結合長の伸び切り長が定義されないものであることが好ましい。この方法により、複合材料の解析方法は、数値解析時に凝集構造保持結合が設けられた一対のフィラーモデル間の距離が増大した場合であっても、凝集構造保持結合が切断させることがない。これにより、複合材料の解析方法は、複合材料の解析用モデル中のフィラー凝集構造をより確実に保持することが可能となるので、数値解析時のフィラー凝集構造の解消による数値解析の破綻を回避することが可能となる。 In the composite material analysis method of the present invention, it is preferable that the aggregated structure-retaining bond is a bond whose extension length of the bond length is not defined. According to this method, the analysis method of the composite material does not break the aggregate structure holding bond even when the distance between the pair of filler models provided with the aggregate structure holding bond is increased during the numerical analysis. This enables the composite material analysis method to more reliably retain the filler aggregation structure in the composite material analysis model, thus avoiding the failure of numerical analysis due to the elimination of the filler aggregation structure during numerical analysis. It becomes possible to do.
本発明の複合材料の解析方法においては、前記凝集構造保持結合は、前記フィラーモデルの中心部間に作成されることが好ましい。この方法により、複合材料の解析方法は、数値解析時に複数のフィラー粒子が略球状に集合したフィラーモデルが回転運動した場合であっても、凝集構造保持結合が作成された一対のフィラーモデル間の距離の変化を低減することが可能となる。これにより、複合材料の解析方法は、複合材料中のフィラー凝集構造を保持した状態でより正確な複合材料の数値解析が可能となる。 In the composite material analysis method of the present invention, it is preferable that the aggregated structure-retaining bond is created between central portions of the filler model. By this method, the analysis method of the composite material can be used between a pair of filler models in which an agglomerated structure-retaining bond is created even when a filler model in which a plurality of filler particles are gathered into a substantially spherical shape rotates during numerical analysis. A change in distance can be reduced. As a result, the analysis method of the composite material enables more accurate numerical analysis of the composite material while maintaining the filler aggregation structure in the composite material.
本発明の複合材料の解析方法においては、前記凝集構造保持結合の平衡長が、当該凝集構造保持結合が設けられた一対のフィラーモデルの半径の和以上であることが好ましい。この方法により、複合材料の解析方法は、数値解析時に凝集構造保持結合が設けられた一対のフィラーモデル同士の接近による衝突を防ぐことができるので、数値解析の応力上昇を回避することが可能となる。これにより、複合材料の解析方法は、複合材料中のフィラー凝集構造を保持した状態でより正確な複合材料の数値解析が可能となる。 In the composite material analysis method of the present invention, it is preferable that an equilibrium length of the aggregated structure-retaining bond is equal to or greater than a sum of radii of a pair of filler models provided with the aggregated structure-retaining bond. By this method, the analysis method of the composite material can prevent a collision due to the approach between a pair of filler models provided with an agglomeration structure holding bond at the time of numerical analysis, so it is possible to avoid an increase in stress in numerical analysis. Become. As a result, the analysis method of the composite material enables more accurate numerical analysis of the composite material while maintaining the filler aggregation structure in the composite material.
本発明の複合材料の解析方法においては、前記数値解析による計算結果として得られた応力歪み曲線から前記凝集構造保持結合に基づく応力を減算することが好ましい。この方法により、複合材料の解析方法は、数値解析により得られた応力歪曲線から、数値解析時に凝集構造保持結合によるフィラー凝集構造の保持に必要なエネルギーを除去することができるので、フィラー凝集構造がポリマー鎖に与える影響を正確に評価することが可能となる。 In the composite material analysis method of the present invention, it is preferable to subtract the stress based on the aggregated structure holding bond from the stress strain curve obtained as a calculation result by the numerical analysis. By this method, the analysis method of the composite material can remove the energy necessary for holding the filler aggregate structure by the aggregate structure retention bond during the numerical analysis from the stress strain curve obtained by the numerical analysis. It is possible to accurately evaluate the effect of the polymer chain on the polymer chain.
本発明の複合材料の解析用コンピュータプログラムは、上記複合材料の解析方法をコンピュータに実行させることを特徴とする。 The computer program for analyzing a composite material according to the present invention causes a computer to execute the above-described composite material analysis method.
本発明の複合材料の解析用コンピュータプログラムによれば、複合材料の解析用モデルの複数のフィラーモデル間に少なくとも1つの凝集構造保持結合を設けるだけで、数値解析時に複合材料の解析用モデル中の2以上のフィラーモデルの凝集を保持することができるので、フィラー凝集構造を保持した状態で各種数値解析をすることが可能となる。また、凝集構造保持結合を作成することにより、数値解析時にフィラーモデル間に有効範囲の大きい相互作用ポテンシャルを設定することなくフィラー凝集構造を保持できるので、計算時間を大幅に削減することが可能となる。したがって、複合材料の解析方法は、複合材料中のフィラー凝集構造を保持した状態で複合材料の数値解析が可能となる。 According to the computer program for analyzing a composite material of the present invention, it is only necessary to provide at least one aggregated structure holding bond between a plurality of filler models of the composite material analysis model. Since aggregation of two or more filler models can be maintained, various numerical analyzes can be performed while maintaining the filler aggregation structure. In addition, by creating an aggregated structure-retaining bond, it is possible to maintain the filler aggregated structure without setting an interaction potential with a large effective range between filler models during numerical analysis, which can greatly reduce calculation time. Become. Therefore, the composite material analysis method enables numerical analysis of the composite material in a state in which the filler aggregation structure in the composite material is maintained.
本発明によれば、フィラー凝集構造を保持した状態で複合材料の数値解析が可能な複合材料の解析方法、及び複合材料の解析用コンピュータプログラムを実現できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the analysis method of the composite material which can perform the numerical analysis of a composite material in the state holding the filler aggregation structure, and the computer program for analysis of a composite material are realizable.
以下、本発明の各実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下の各実施の形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited to each following embodiment, It can implement by changing suitably.
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る複合方法の概略を示すフロー図である。図1に示すように、本実施の形態に係る複合材料の解析方法は、コンピュータを用いた分子動力学法により作成した複合材料の解析用モデルを用いた複合材料の解析方法である。この複合材料の解析方法は、ポリマーをモデル化したポリマーモデル及びフィラーをモデル化した複数のフィラーモデルを含む複合材料の解析用モデルを作成する第1ステップST11と、複数のフィラーモデル間に少なくとも1つの凝集構造保持結合を作成する第2ステップST12と、凝集構造保持結合が作成された複合材料の解析用モデルの数値解析を実行する第3ステップST13とを含む。
(First embodiment)
FIG. 1 is a flowchart showing an outline of the composite method according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the composite material analysis method according to this embodiment is a composite material analysis method using a composite material analysis model created by a molecular dynamics method using a computer. This composite material analysis method includes a first step ST11 of creating a composite material analysis model including a polymer model modeling a polymer and a plurality of filler models modeling a filler, and at least one between the plurality of filler models. It includes a second step ST12 for creating one aggregated structure-retaining bond, and a third step ST13 for executing a numerical analysis of the composite material analysis model in which the aggregated structure-retaining bond is created.
図2は、本実施の形態に係る複合材料の解析用モデル1の一例を示す概念図である。図2に示すように、本実施の形態に係る複合材料の解析用モデル1は、例えば、一辺の長さが距離Lの略立方体形状の仮想空間であるモデル作成領域A内でモデル化される。モデル作成領域Aは、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸方向に広がる三次元空間となっている。複合材料の解析用モデル1は、複数のフィラー粒子11aがモデル化されてなる複数のフィラーモデル11A,11B,11C,11Dと、複数のポリマー粒子21a及び結合鎖21bがモデル化されてなる複数のポリマーモデル21とを有する。この複合材料の解析用モデル1では、複数のフィラーモデル11A,11B,11C,11Dは、モデル作成領域A内に分散して配置される。複数のポリマーモデル21は、複数のフィラーモデル11A,11B,11C,11D間に分散して配置される。
FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of the composite material analysis model 1 according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, the composite material analysis model 1 according to the present embodiment is modeled, for example, in a model creation region A that is a substantially cubic virtual space whose one side is a distance L in length. . The model creation area A is a three-dimensional space that extends in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions orthogonal to each other. The composite material analysis model 1 includes a plurality of
なお、図2に示す例では、複合材料の解析用モデル1が、4つのフィラーモデル11を含む例について説明するが、モデル化されるフィラーモデルの数に制限はない。複合材料の解析用モデル1は、3以上のフィラーモデル11を含んでいてもよい。また、図2においては、4つのポリマーモデル21のみを示しているが、複合材料の解析用モデル1では、複数のポリマーモデル21がモデル作成領域A内の全域に亘って存在している。さらに、図2に示す例では、モデル作成領域Aが、略直方体形状の仮想空間である例について示しているが、球状、楕円状、直方体形状、多面体形状など任意の形状であってもよい。
In the example illustrated in FIG. 2, an example in which the composite material analysis model 1 includes four filler models 11 is described. However, the number of filler models to be modeled is not limited. The composite material analysis model 1 may include three or more filler models 11. In FIG. 2, only four
フィラーとしては、例えば、カーボンブラック、シリカ、及びアルミナなどが含まれる。フィラー粒子11aは、複数のフィラーの原子が集合されてモデル化される。また、フィラー粒子11aは、複数のフィラー粒子11aが集合してフィラー粒子群を構成する。フィラー粒子11aは、複数のフィラー粒子11a間の結合鎖(不図示)によって相対位置が特定されている。この結合鎖(不図示)は、フィラー粒子11a間の結合距離である平衡長とバネ定数とが定義されたバネとしての機能を有し、各フィラー粒子11a間を拘束している。結合鎖は、フィラー粒子11aの相対位置及び捻り、曲げなどによって力が発生するポテンシャルが定義されているボンドである。このフィラーモデル11A,11B,11C,11Dは、フィラーを分子動力学で取り扱うための数値データ(フィラー粒子11aの質量、体積、直径及び初期座標などを含む)である。フィラーモデル11の数値データは、コンピュータに入力される。
Examples of the filler include carbon black, silica, and alumina. The
ポリマーとしては、例えば、ゴム、樹脂、及びエラストマーなどが含まれる。ポリマー粒子21aは、複数のポリマーの原子が集合されてモデル化される。また、ポリマー粒子21aは、複数のポリマー粒子21aが集合してポリマー粒子群を構成する。ポリマーには、フィラーとの親和性を高める変性剤が必要に応じて配合される。変性剤としては、例えば、水酸基、カルボニル基、及び原子団の官能基などが含まれる。ポリマーモデル21は、複数のポリマー原子及び複数のポリマー原子の集合体であるポリマー粒子21aがモデル作成領域A内に所定密度で充填されてモデル化される。ポリマー粒子21aは、複数のポリマー粒子21a間の結合鎖21bによって結合されて相対位置が特定されている。この結合鎖21bは、ポリマー粒子21a間の結合距離である平衡長とバネ定数とが定義されたバネとしての機能を有し、各ポリマー粒子21a間を拘束している。結合鎖21bは、ポリマー粒子21aの相対位置及び捻り、曲げなどによって力が発生するポテンシャルが定義されているボンドである。また、結合鎖21bは、複数のポリマー粒子が直列状に連結されてなるポリマーモデル21間にも架橋結合(不図示)として結合されている。このポリマーモデル21は、ポリマーを分子動力学で取り扱うための数値データ(ポリマー粒子21aの質量、体積、直径及び初期座標などを含む)である。ポリマーモデル21の数値データは、コンピュータに入力される。
Examples of the polymer include rubber, resin, and elastomer. The
なお、本実施の形態では、解析対象となる複合材料がフィラー及び高分子材料であるポリマーを含有する例について説明するが、本発明は、2種類の以上の物質を含有する複合材料にも適用可能である。また、本発明は、フィラー及びポリマー以外の物体を含有する複合材料にも適用可能である。 Note that in this embodiment, an example in which a composite material to be analyzed contains a filler and a polymer that is a polymer material will be described; however, the present invention is also applicable to a composite material containing two or more kinds of substances. Is possible. The present invention is also applicable to composite materials containing objects other than fillers and polymers.
次に、図3〜図7Cを参照して、本実施の形態に係る複合材料の解析方法について詳細に説明する。図3〜図7Cは、本実施の形態に係る複合材料の解析方法の一例を示す説明図である。なお、図3〜図7Cにおいては、図2の平面図を模式的に示し、ポリマーモデル21については、省略している。
Next, a composite material analysis method according to the present embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 3 to 7C are explanatory diagrams illustrating an example of a composite material analysis method according to the present embodiment. 3C, the plan view of FIG. 2 is schematically shown, and the
第1ステップST11では、図2に示したように、モデル作成領域A内に、複数のフィラー粒子11aが集合してモデル化されたフィラーモデル11及び複数のポリマー粒子21aが結合鎖21bを介して連結されてモデル化されたポリマーモデル21を含む複合材料の解析用モデル1を作成する。第1ステップST11では、図3に示すように、4つのフィラーモデル11A,11B,11C,11Dは、複数のフィラー粒子11aが平面視においてそれぞれ略円形形状に集合した状態でモデル化される。また、4つのフィラーモデル11A,11B,11C,11Dは、相互に所定距離離れて凝集した凝集状態でモデル化される。
In the first step ST11, as shown in FIG. 2, in the model creation region A, a filler model 11 and a plurality of
次に、第2ステップST12では、図4に示すように、4つのフィラーモデル11A,11B,11C,11D間にそれぞれ凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDを作成する。凝集構造保持結合12ABは、フィラーモデル11Aとフィラーモデル11Bとの間の距離が最短となるように、フィラーモデル11Aの表面に存在するフィラー粒子11aとフィラーモデル11Bの表面に存在するフィラー粒子11aとの間に作成される。凝集構造保持結合12ACは、フィラーモデル11Aとフィラーモデル11Cとの間の距離が最短となるように、フィラーモデル11Aの表面に存在するフィラー粒子11aとフィラーモデル11Cの表面に存在するフィラー粒子11aとの間に作成される。凝集構造保持結合12ADは、フィラーモデル11Aとフィラーモデル11Dとの間の距離が最短となるように、フィラーモデル11Aの表面に存在するフィラー粒子11aとフィラーモデル11Dの表面に存在するフィラー粒子11aとの間に作成される。凝集構造保持結合12BCは、フィラーモデル11Bとフィラーモデル11Cとの間の距離が最短となるように、フィラーモデル11Bの表面に存在するフィラー粒子11aとフィラーモデル11Cの表面に存在するフィラー粒子11aとの間に作成される。凝集構造保持結合12BDは、フィラーモデル11Bとフィラーモデル11Dとの間の距離が最短となるように、フィラーモデル11Bの表面に存在するフィラー粒子11aとフィラーモデル11Dの表面に存在するフィラー粒子11aとの間に作成される。凝集構造保持結合12CDは、フィラーモデル11Cとフィラーモデル11Dとの間の距離が最短となるように、フィラーモデル11Cの表面に存在するフィラー粒子11aとフィラーモデル11Dの表面に存在するフィラー粒子11aとの間に作成される。
Next, in the second step ST12, as shown in FIG. 4, aggregated structure holding bonds 12AB, 12AC, 12AD, 12BC, 12BD, and 12CD are created between the four
凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDは、各フィラーモデル11A,11B,11C,11D間の凝集状態を維持するための所定の平衡長とバネ定数とが定義された仮想バネとしての機能を有し、各フィラーモデル11A,11B,11C,11D間を拘束する。また、凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDは、各フィラーモデル11A,11B,11C,11D間の凝集状態を保持するために、各フィラーモデル11A,11B,11C,11D間に作用する分子間力より強く、水素結合より弱い結合力を有するものが好ましい。このような凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDを設けることにより、フィラーモデル11A,11B,11C,11D間の凝集状態を引力だけで保持する場合と比較して、凝集状態を保持しやすくなると共に、計算時間を大幅に削減することが可能となる。
The aggregated structure-retaining bonds 12AB, 12AC, 12AD, 12BC, 12BD, and 12CD are virtual springs in which a predetermined equilibrium length and a spring constant are defined for maintaining the aggregated state between the
なお、図4に示した例では、各フィラーモデル11A,11B,11C,11D間の距離が最短となる位置に配置されたフィラー粒子11a間に凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDを設けた例について説明したが、凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDを設けるフィラー粒子11aは適宜変更可能である。
In the example shown in FIG. 4, the aggregated structure holding bonds 12AB, 12AC, 12AD, 12BC, and 12BD are provided between the
図5に示すように、凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDは、各フィラーモデル11A,11B,11C,11Dの中心部PA,PB,PC,PD間に作成してもよい。図5に示す例では、凝集構造保持結合12ABは、フィラーモデル11Aの中心部PAに存在するフィラー粒子11aとフィラーモデル11Bの中心部PBに存在するフィラー粒子11aとの間に作成される。凝集構造保持結合12ACは、フィラーモデル11Aの中心部PAに存在するフィラー粒子11aとフィラーモデル11Cの中心部PCに存在するフィラー粒子11aとの間に作成される。凝集構造保持結合12ADは、フィラーモデル11Aの中心部PAに存在するフィラー粒子11aとフィラーモデル11Dの中心部PDに存在するフィラー粒子11aとの間に作成される。凝集構造保持結合12BCは、フィラーモデル11Bの中心部PBに存在するフィラー粒子11aとフィラーモデル11Cの中心部PCに存在するフィラー粒子11aとの間に作成される。凝集構造保持結合12BDは、フィラーモデル11Bの中心部PBに存在するフィラー粒子11aとフィラーモデル11Dの中心部PDに存在するフィラー粒子11aとの間に作成される。凝集構造保持結合12CDは、フィラーモデル11Cの中心部PCに存在するフィラー粒子11aとフィラーモデル11Dの中心部PDに存在するフィラー粒子11aとの間に作成される。
As shown in FIG. 5, the aggregated structure holding bonds 12AB, 12AC, 12AD, 12BC, 12BD, and 12CD may be created between the center portions PA, PB, PC, and PD of the
このように、各フィラーモデル11A,11B,11C,11Dの中心部PA,PB,PC,PD間に凝集構造保持結合12AB,12BC,12CD,12ADを作成することにより、複合材料の解析用モデル1の数値解析時に、複数のフィラー粒子11aが略球状に集合したフィラーモデル11A,11B,11C,11Dが回転運動した場合であっても、凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDが作成された一対のフィラーモデル11A,11B,11C,11D間の距離の変化を低減することが可能となる。これにより、フィラー凝集構造を保持した状態でより正確な複合材料の数値解析が可能となる。
As described above, the aggregated structure-retaining bonds 12AB, 12BC, 12CD, and 12AD are created between the central portions PA, PB, PC, and PD of the
なお、図4及び図5に示した例では、4つのフィラーモデル11A,11B,11C,11D間に、6つの凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDを作成した例について説明したが、凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CD及びフィラーモデル11A,11B,11C,11Dの数は適宜変更可能である。例えば、2つのフィラーモデル11A,11Bのフィラー凝集構造を保持した数値解析を実行する場合には、凝集構造保持結合12ABを設ければよい。また、3つのフィラーモデル11A,11B,11Cのフィラー凝集構造を保持した数値解析を実行する場合には、凝集構造保持結合12AB,12BC,12ACの少なくとも2つを設定すればよい。また、4つのフィラーモデル11A,11B,11C,11Dのフィラー凝集構造を保持した数値解析を実行する場合には、例えば、凝集構造保持結合12AB,12AC,12ADの少なくとも3つを設定すればよい。
In the example shown in FIGS. 4 and 5, an example in which six aggregated structure holding bonds 12AB, 12AC, 12AD, 12BC, 12BD, and 12CD are created between four
また、図6に示すように、一対のフィラーモデル11A,11Bの中心部PA,PB間に凝集構造保持結合12ABを設ける場合には、フィラーモデル11A,11B間の凝集構造保持結合12ABのポテンシャルの平衡長dABが、当該凝集構造保持結合12ABが設けられる一対のフィラーモデル11Aの半径dAとフィラーモデル11Bの半径dBとの和以上であることが好ましい。これにより、複合材料の解析用モデル1の数値解析時に一対のフィラーモデル11A,11Bが相互に接近した場合であっても、仮想バネとして機能する当該凝集構造保持結合12ABによって、フィラーモデル11A,11Bが押し戻されるので、フィラーモデル11A,11Bの衝突を防ぐことができる。この結果、フィラーモデル11A,11Bの衝突による数値解析の応力上昇を回避することが可能となるので、フィラー凝集構造を保持した状態でより正確な複合材料の数値解析が可能となる。また、凝集構造保持結合12ABのポテンシャルの平衡長dABは、当該凝集構造保持結合12ABが設けられる一対のフィラーモデル11Aの半径dAとフィラーモデル11Bの半径dBとの和であることがより好ましい。これにより、上述した作用効果に加え、フィラーモデル11A,11Bをより高い密度で凝集させることができる。
Further, as shown in FIG. 6, when the aggregated structure holding bond 12AB is provided between the center portions PA and PB of the pair of
また、図4に示した凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDは、結合長の伸び切り長が定義されないものであることが好ましい。図7A〜図7Cに示すように、複合材料の解析用モデル1の数値解析時には、図7Aに示す数値解析前の複合材料の解析用モデル1の各フィラーモデル11A,11B,11C,11Dがモデル作成領域Aの外側に向かって移動し、各フィラーモデル11A,11B,11C,11D間距離が増大して凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDが作成時より大幅に伸びて切断されてフィラー凝集構造が解消することがある。このような場合、凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDに平衡長の伸び切り長が定義されないポテンシャルを定義することにより、凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDの切断を防いで、複合材料の解析用モデル1中にフィラー凝集構造を保持することが可能となる。また、図7Bに示す状態となった後、各フィラーモデル11A,11B,11C,11Dがモデル作成領域Aの内側に向かって移動した場合には、図7に示すように、凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDが縮むことにより、各フィラーモデル11A,11B,11C,11Dの移動が凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDによって妨げられることがない。
In addition, the aggregated structure-retaining bonds 12AB, 12AC, 12AD, 12BC, 12BD, and 12CD shown in FIG. 4 are preferably those in which the bond length is not defined. As shown in FIGS. 7A to 7C, during the numerical analysis of the composite material analysis model 1, the
このように、凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDは、結合長に伸び切り長が定義されないことにより、複合材料の解析用モデル1の数値解析時に凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDが設けられた各フィラーモデル11A,11B,11C,11D間の距離が大幅に変化した場合であっても、凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDが切断させることなく、複合材料の解析用モデル中にフィラー凝集構造を保持することが可能となる。これにより、複合材料の解析方法は、数値解析時のフィラーモデルの配置変化による数値解析の破綻を回避することが可能となる。
As described above, the aggregated structure-retaining bonds 12AB, 12AC, 12AD, 12BC, 12BD, and 12CD are not extended in the bond length, so that the aggregated structure-retaining bond 12AB, Even when the distance between the
第3ステップST13では、フィラーモデル11A,11B,11C,11Dとポリマーモデル21との間に相互作用を設定して数値解析を実行する。このように相互作用を設定して数値解析を実行することにより、各フィラーモデル11A,11B,11C,11D及びポリマーモデル21間に引力及び斥力などが作用し、凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDによって、フィラーモデル11A,11B,11C,11Dがフィラー凝集構造を保持した状態でモデル作成領域A内をそれぞれ移動しながら各種計算結果が得られる。
In the third step ST13, an interaction is set between the
フィラーモデル11A,11B,11C,11Dとポリマーモデル21との間の相互作用は、フィラー粒子間、ポリマー粒子間及びフィラー粒子とポリマー粒子との間に設定される。なお、フィラーモデル11A,11B,11C,11Dとポリマーモデル21との間の相互作用は、必ずしも全てのフィラー粒子11a及びポリマー粒子21aに設定する必要はない。フィラーモデル11とポリマーモデル21との間の相互作用としては、例えば、分子間力及び水素結合などの引力及び斥力などの化学的な相互作用、及び共有結合などの物理的な相互作用が挙げられる。また、ポリマーモデル21が複数の種類のポリマー粒子21aで構成されている場合には、複数の種類のポリマー粒子21aにそれぞれ相互作用を設定してもよい。また、複数の種類の各ポリマー粒子21aとフィラーモデル11との相互作用は同一であってもよく、異なっていてもよい。例えば、ポリマー粒子Aとフィラー粒子11aの相互作用とポリマー粒子Bとフィラー粒子11aの相互作用とは異なる相互作用を設定してもよい。
The interaction between the
数値解析としては、例えば、変温解析、変圧解析、伸張解析及びせん断解析などの変形解析、緩和解析などの各種数値解析などが挙げられる。これらの数値解析で取得する計算結果は、数値解析の結果得られた変位などの値を用いてもよく、所定の演算処理を実行した歪みであってもよい。これらの中でも、数値解析としては、複合材料のコンパウンドの力学特性を解析可能となる観点から、変形解析が好ましい。 Examples of the numerical analysis include various numerical analyzes such as deformation analysis such as temperature change analysis, transformation analysis, extension analysis and shear analysis, and relaxation analysis. The calculation result obtained by these numerical analyzes may use a value such as displacement obtained as a result of the numerical analysis, or may be a distortion obtained by executing a predetermined calculation process. Among these, as the numerical analysis, deformation analysis is preferable from the viewpoint of being able to analyze the mechanical characteristics of the compound of the composite material.
以上説明したように、本実施の形態によれば、 複合材料の解析用モデル1の複数のフィラーモデル11A,11B,11C,11D間に少なくとも1つの凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDを設けるだけで、数値解析時に複合材料の解析用モデル1中の2以上のフィラーモデル11A,11B,11C,11Dの凝集を保持することができるので、フィラー凝集構造を保持した状態で各種数値解析をすることが可能となる。また、凝集構造保持結合を作成することにより、数値解析時にフィラーモデル11A,11B,11C,11D間に有効範囲の大きい相互作用ポテンシャルを設定することなくフィラー凝集構造を保持できるので、計算時間を大幅に削減することが可能となる。したがって、複合材料の解析方法は、フィラー凝集構造を保持した状態で複合材料の数値解析が可能となる。
As described above, according to the present embodiment, at least one aggregate structure holding bond 12AB, 12AC, 12AD, 12BC, between the plurality of
なお、上述した実施の形態では、第2ステップST12で凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDを作成する例について説明したが、凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDは、第3ステップST13におけるフィラーモデル11A,11B,11C,11Dとポリマーモデル21との間の相互作用の設定後に作成してもよい。
In the above-described embodiment, the example in which the aggregate structure holding bonds 12AB, 12AC, 12AD, 12BC, 12BD, and 12CD are created in the second step ST12 has been described. However, the aggregate structure holding bonds 12AB, 12AC, 12AD, 12BC, 12BD and 12CD may be created after setting the interaction between the
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、以下においては、上述した第1の実施の形態との相違点を中心に説明する。また、上述した第1の実施の形態と共通する構成要素には、同一の符号を付して説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the following description, differences from the above-described first embodiment will be mainly described. In addition, the same reference numerals are given to components common to the above-described first embodiment, and description thereof is omitted.
図8は、本発明の第2の実施の形態に係る複合材料の解析用モデルの作成方法の概略を示すフロー図である。図8に示すように、本実施の形態に係る複合材料の解析用モデルの作成方法は、コンピュータを用いた分子動力学法により作成した複合材料の解析用モデルを用いた複合材料の解析方法である。この複合材料の解析方法は、ポリマーをモデル化したポリマーモデル及びフィラーをモデル化した複数のフィラーモデルを含む複合材料の解析用モデルを作成する第1ステップST21と、複数のフィラーモデル間に少なくとも1つの凝集構造保持結合を作成する第2ステップST22と、ポリマーモデルを架橋させる第3ステップST23と、凝集構造保持結合が作成された複合材料の解析用モデルの数値解析を実行する第4ステップST24とを含む。 FIG. 8 is a flowchart showing an outline of a method of creating a composite material analysis model according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, the method for creating a composite material analysis model according to the present embodiment is a composite material analysis method using a composite material analysis model created by a molecular dynamics method using a computer. is there. This composite material analysis method includes a first step ST21 for creating a composite material analysis model including a polymer model modeling a polymer and a plurality of filler models modeling a filler, and at least one between the plurality of filler models. A second step ST22 for creating one aggregated structure-retaining bond, a third step ST23 for crosslinking the polymer model, and a fourth step ST24 for performing a numerical analysis of the analytical model for the composite material in which the aggregated structure-retaining bond is created including.
次に、図9A及び図9Bを参照して、本実施の形態に係る複合材料の解析用モデルの作成方法について詳細に説明する。図9A及び図9Bは、本実施の形態に係る複合材料の解析用モデルの作成方法の一例を示す説明図である。なお、図9A及び図9Bにおいては、図2に示したフィラーモデル11の平面図を模式的に示している。 Next, with reference to FIG. 9A and FIG. 9B, a method for creating a composite material analysis model according to the present embodiment will be described in detail. 9A and 9B are explanatory diagrams illustrating an example of a method for creating a composite material analysis model according to the present embodiment. In addition, in FIG. 9A and FIG. 9B, the top view of the filler model 11 shown in FIG. 2 is shown typically.
第1ステップST21では、上述した第1の実施の形態と同様に、フィラーモデル11及びポリマーモデル21を含む複合材料の解析用モデル1を作成する。
In the first step ST21, the composite material analysis model 1 including the filler model 11 and the
次に、第2ステップST22では、架橋結合21cを形成した状態の複合材料モデル10に上述した第1の実施の形態と同様に、フィラーモデル11A,11B,11C,11D間に凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDを作成する。なお、第2ステップST22では、凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDは、上述した第1の実施の形態と同様に、少なくとも1つを設ければよい。
Next, in the second step ST22, the aggregated structure-retaining bond 12AB is formed between the
次に、第3ステップST23では、図9A及び図9Bに示すように、第1ステップST21で作成されたポリマーモデル21に架橋解析などにより架橋結合21cを作成する。図9Bに示す例では、ポリマー粒子21a及び結合鎖21bによって構成された4つのポリマーモデル21A〜21D間に複数の架橋結合21cが形成され、モデル作成領域A内にポリマーモデル21による三次元ネットワークが形成される。
Next, in the third step ST23, as shown in FIGS. 9A and 9B, a
次に、第4ステップST24では、上述した第1の実施の形態と同様に、フィラーモデル11A,11B,11C,11Dとポリマーモデル21との間に相互作用を設定して数値解析を実行する。
Next, in the fourth step ST24, as in the first embodiment described above, an interaction is set between the
以上説明したように、本実施の形態によれば、架橋反応を介してポリマーモデル21を予め架橋した状態で、フィラーモデル11A,11B,11C,11D間に凝集保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDを作成するので、ポリマーモデル21の架橋による三次元ネットワークを考慮した複合材料の数値解析が可能となる。したがって、複合材料の解析方法は、フィラー凝集構造を保持した状態でより正確な複合材料の数値解析が可能となる。
As described above, according to the present embodiment, the coagulation retention bonds 12AB, 12AC, 12AD, and 12BC between the
なお、上記実施の形態では、第3ステップST23で架橋解析による架橋結合21cを作成する前に、第2ステップST22で凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDを作成する例について説明した。凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDは、数値解析の実行前であれば作成時期に制限はない。凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDは、例えば、架橋結合21cを形成した後に作成してもよく、架橋結合21c及び第4ステップST24におけるフィラーモデル11A,11B,11C,11Dとポリマーモデル21との間の相互作用の設定後に作成してもよい。これらの中でも、架橋結合21cによる凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDの作成への悪影響を防ぐ観点から、架橋結合21cの作成前に凝集構造保持結合12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CDを作成することが好ましい。
In the above embodiment, an example of creating aggregated structure-retaining bonds 12AB, 12AC, 12AD, 12BC, 12BD, and 12CD in the second step ST22 before creating the
次に、本実施の形態に係る複合材料の解析方法及び複合材料の解析用コンピュータプログラムについてより詳細に説明する。図10は、本実施の形態に係る複合材料の解析方法を実行する解析装置の機能ブロック図である。 Next, the composite material analysis method and the composite material analysis computer program according to the present embodiment will be described in more detail. FIG. 10 is a functional block diagram of an analysis apparatus that executes the composite material analysis method according to the present embodiment.
図10に示すように、本実施の形態に係る複合材料の解析方法は、処理部52と記憶部54とを含むコンピュータである解析装置50が実現する。この解析装置50は、入力手段53を備えた入出力装置51と電気的に接続されている。入力手段53は、複合材料の解析用モデルの作成対象であるポリマー及びフィラーの各種物性値、ポリマー及びフィラーを含有する複合材料を用いた伸張試験結果の実測結果、及び解析における境界条件などを処理部52又は記憶部54へ入力する。入力手段53としては、例えば、キーボード、マウスなどの入力デバイスが用いられる。
As shown in FIG. 10, the analysis method of the composite material according to the present embodiment is realized by an analysis device 50 that is a computer including a
処理部52は、例えば、中央演算装置(CPU:Central Processing Unit)及びメモリを含む。処理部52は、各種処理を実行する際にコンピュータプログラムを記憶部54から読み込んでメモリに展開する。メモリに展開されたコンピュータプログラムは、各種処理を実行する。例えば、処理部52は、記憶部54から予め記憶された各種処理に係るデータを必要に応じて適宜メモリ上の自身に割り当てられた領域に展開し、展開したデータに基づいて複合材料の解析用モデルの作成及び複合材料の解析用モデルを用いた複合材料の解析に関する各種処理を実行する。
The
処理部52は、モデル作成部52aと、条件設定部52bと、解析部52cとを含む。モデル作成部52aは、予め記憶部54に記憶されたデータに基づき、分子動力学法により複合材料の解析用モデル1を作成する際のフィラー及びポリマーなどの複合材料の粒子数、分子数、分子量、分子鎖長、分子鎖数、分岐、形状、大きさ、反応時間、反応条件及び作成する解析用モデルに含まれる分子数である目標分子数などの構成要素の配置、設定及び計算ステップ数などの粗視化モデルの設定を行う。また、モデル作成部52aは、フィラー粒子11a間、ポリマー粒子21a間及びフィラー・ポリマー粒子の水素結合、分子間力などの相互作用などの各種計算パラメーターの初期条件の設定を行う。また、モデル作成部52aは、必要に応じてポリマーモデル21の架橋による架橋結合21cの作成などの架橋解析などを作製してもよい。
The
フィラー粒子11a間の相互作用及びポリマー粒子21a間の相互作用を調整する計算パラメーターとしては、下記式(1)で表されるレナード・ジョーンズポテンシャルのσ、εを用い、これらが調整される。ポテンシャルを計算する上限距離(カットオフ距離)を大きくすることで、遠距離まで働いた引力、斥力を調整できる。なお、フィラー粒子11a間の相互作用及びポリマー粒子21a間の相互作用が一定値になるまで順次、フィラー粒子11a間の相互作用及びポリマー粒子21a間の相互作用のパラメーターを小さくすることが好ましい。レナード・ジョーンズポテンシャルのσ、εを大きな値から徐々に本来の値に近づけることにより、分子を不自然な状態に導かない穏やかな速度で粒子の接近を行うことができる。また、カットオフ距離も徐々に小さくすることにより、適正な範囲で引力、斥力を調整できる。
As calculation parameters for adjusting the interaction between the
条件設定部52bは、変温解析及び変圧解析などの数値解析、伸張解析、せん断解析などの変形解析及び緩和解析などの運動解析などの各種解析条件を設定する。
The
解析部52cは、条件設定部52bによって設定された解析条件に基づいて複合材料の解析用モデル1の各種数値解析を実行する。また、解析部52cは、モデル作成部52aによって作成された複数のフィラーモデル間に少なくとも1つの凝集構造保持結合を作成する。ここでは、解析部52cは、凝集構造保持結合をフィラーモデルの表面間及び中心部間などに作成する。また、解析部52cは、凝集構造保持結合を結合長の伸び切り長などを設定する。また、解析部52cは、凝集構造保持結合の平衡長を設定する。また、解析部52cは、モデル作成部52aによって作成された複合材料の解析用モデル1を用いて分子動力学法による数値解析を実行して物理量を取得する。ここでは、解析部52cは、数値解析として、伸張解析、せん断解析などの変形解析及び緩和解析などを実行する。また、解析部52cは、運動解析の結果得られた変位などの値又は得られた値に所定の演算処理を実行した歪みなどの物理量を取得する。
The
記憶部54は、ハードディスク装置、光磁気ディスク装置、フラッシュメモリ及びCD−ROMなどの読み出しのみが可能な記録媒体である不揮発性のメモリ、並びに、RAM(Random Access Memory)のような読み出し及び書き込みが可能な記録媒体である揮発性のメモリが適宜組み合わせられる。
The
記憶部54には、入力手段53を介して解析対象となる複合材料の解析用モデルを作成するためのデータであるゴムカーボンブラック、シリカ、及びアルミナなどのフィラーのデータ、ゴム、樹脂、及びエラストマーなどのポリマーのデータ、予め設定した物理量履歴である応力歪み曲線及び本実施の形態に係る複合材料の解析用モデル1の作成方法、複合材料の解析方法を実現するためのコンピュータプログラムなどが格納されている。このコンピュータプログラムは、コンピュータ又はコンピュータシステムに既に記録されているコンピュータプログラムとの組み合わせによって、本実施の形態に係る複合材料の解析方法を実現できるものであってもよい。ここでいう「コンピュータシステム」とは、OS(Operating System)及び周辺機器などのハードウェアを含むものとする。
In the
表示手段55は、例えば、液晶表示装置等の表示用デバイスである。なお、記憶部54は、データベースサーバなどの他の装置内にあってもよい。例えば、解析装置50は、入出力装置51を備えた端末装置から通信により処理部52及び記憶部54にアクセスするものであってもよい。
The display means 55 is a display device such as a liquid crystal display device. The
次に、再び図1を参照して、本実施の形態に係る複合材料の解析方法についてより詳細に説明する。 Next, with reference to FIG. 1 again, the composite material analysis method according to the present embodiment will be described in more detail.
まず、図1に示すように、モデル作成部52aが、所定のモデル作成領域A内にポリマー粒子21a及び結合鎖21bを含む未架橋の複数のポリマーモデル21を作成すると共にフィラー粒子11aを含む複数のフィラーモデル11を含む複合材料の解析用モデル1を作成する(第1ステップST11)。未架橋のポリマーモデル21は、図2に示したように、複数のポリマー粒子21aが結合鎖21bによって連結されてなるものである。ここでは、モデル作成部52aは、作成したフィラーモデル11中に未架橋のポリマーモデル21を配置する。次に、モデル作成部52aは、初期条件の設定の後、平衡化計算を行う。平衡化計算では、所定の温度、密度及び圧力で、初期設定後の各種構成要素が平衡状態に到達する所定の時間、分子動力学計算を行う。そして、モデル作成部52aは、初期条件の設定及び平衡化の計算処理後に、計算領域内に設定した複合材料の解析用モデル1を作成するモデル作成領域A内に、ポリマーモデル21及びフィラーモデル11を含む複合材料の解析用モデル1を配置する。また、モデル作成部52aは、必要に応じてポリマーにフィラーとの親和性を高める水酸基、カルボニル基、及び原子団の官能基などの変性剤を配合してもよい。また、モデル作成部52aは、作成したポリマーモデル21に架橋解析により架橋結合21cを導入してもよい。
First, as shown in FIG. 1, the
次に、条件設定部52bが、モデル作成部52aで作成した複合材料の解析用モデル1を用いた分子動力学法による架橋解析、数値解析及び運動解析(シミュレーション)を実行するための各種条件を設定する。条件設定部52bは、入力手段53からの入力及び記憶部54に記憶されている情報に基づいて各種条件を設定する。各種条件としては、解析を実行するフィラーモデル11の位置及び数、フィラー原子、フィラー原子団、フィラー粒子11a及びフィラー粒子群の位置及び数、フィラー粒子番号、ポリマーの分子鎖の位置及び数、ポリマー原子、ポリマー原子団、ポリマー粒子21a及びポリマー粒子群の位置及び数、ポリマー粒子番号、結合鎖21bの位置及び数、結合鎖21bの番号、予め設定した物理量履歴である応力歪み曲線及び条件を変更しない固定値などが含まれる。
Next, the
次に、解析部52cが、モデル作成部52aによって作成された複数のフィラーモデル11間に少なくとも1つの凝集構造保持結合を作成する(第2ステップST12)。ここでは、解析部52cは、凝集構造保持結合を結合長の伸び切り長が定義されないものとしてもよい。また、解析部52cは、凝集構造保持結合をフィラーモデル11の中心部間に作成してもよい。さらに、解析部52cは、凝集構造保持結合の平衡長を、当該凝集構造保持結合が設けられた一対のフィラーモデル11の半径の和以上としてもよい。
Next, the
次に、解析部52cは、複合材料の解析用モデル1に相互作用を設定して変温解析、変圧解析などの各種数値解析を実施する。解析部52cは、必要に応じて、例えば、フィラー粒子11a間、ポリマー粒子21a間、フィラー粒子11aとポリマー粒子21aとの間の相互作用及びフィラー粒子11aとポリマー粒子21aとが結合鎖21bで結合した状態の相互作用などを設定する。次に、解析部52cは、複合材料の解析用モデル1を用いた分子動力学法による緩和解析、伸張解析、及びせん断解析などの変形解析などの各種数値解析を実行する。また、解析部52cは、数値解析の計算結果から得られる運動変位及び公称応力又は運動変位を演算して得られる公称歪みなどの各種物理量を取得する。このような数値解析及び運動解析により、解析時間毎に変化する複合材料の解析用モデル1全体のポリマー分子の結合長及びポリマー粒子速度、架橋点間と自由末端の速度又は結合長、配向などの物理量などのセグメントの状態変化を表す数値と歪みとの関係、解析時間毎に変化するポリマー分子の結合長及びポリマー粒子速度などのセグメントの状態変化を表す数値と圧力又は解析時間との関係、及び解析時間毎に変化するポリマー分子の結合長及びポリマー粒子速度などのセグメントの状態変化を表す数値と温度又は解析時間との関係などを評価できるので、ポリマー分子の局所的な分子状態変化のより詳細な解析が可能となる。次に、解析部52cは、解析した複合材料の解析結果を記憶部54に格納する。
Next, the
また、解析部52cは、数値解析による計算結果として得られた応力歪み曲線から前記凝集構造保持結合に基づく応力を減算することが好ましい。これにより、複合材料の解析方法は、数値解析により得られた応力歪曲線から、数値解析時に凝集構造保持結合によるフィラー凝集構造の保持に必要なエネルギーを除去することができるので、フィラー凝集構造がポリマー鎖に与える影響を正確に評価することが可能となる。
Moreover, it is preferable that the
(実施例)
次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
(Example)
Next, examples performed for clarifying the effects of the present invention will be described. In addition, this invention is not limited at all by the following examples.
本発明者らは、複数のポリマーモデル及び複数のフィラーモデルを含む複合材料の解析用モデルを作成し、作成した複合材料の解析用モデルを用いて各種解析条件で伸長解析をして計算時間と弾性率との関係について調べた。本発明者らは、各フィラーモデルの中心間に凝集構造保持結合を作成する解析条件で伸長解析した場合(実施例1)と、作成した複合材料の解析用モデルを一般的な解析条件である各フィラーモデル間に斥力が作用する解析条件で伸長解析した場合(比較例1)と、複数のフィラーモデル間に引力の有効範囲が大きい相互作用ポテンシャルを設定した解析条件で伸長解析した場合(比較例2)とでフィラーモデルの凝集状態、計算時間、及び弾性率との関係について調べた。以下、本発明者らが調べた内容について説明する。 The present inventors create a composite material analysis model including a plurality of polymer models and a plurality of filler models, perform elongation analysis under various analysis conditions using the prepared composite material analysis model, calculate time and The relationship with the elastic modulus was investigated. The inventors of the present invention have a general analysis condition in the case where an elongation analysis is performed under an analysis condition for creating an aggregated structure holding bond between the centers of the filler models (Example 1) and the composite model for analysis of the created composite material. When elongation analysis is performed under analysis conditions in which repulsive force acts between each filler model (Comparative Example 1), and when elongation analysis is performed under analysis conditions in which an interaction potential having a large attractive force range is set between multiple filler models (comparison) In Example 2), the relationship between the aggregation state, calculation time, and elastic modulus of the filler model was examined. The contents examined by the inventors will be described below.
図11は、実施例1及び比較例1,2に係る複合材料の解析用モデルの概念図である。図11に示すように、実施例1、比較例1,2で用いた複合材料の解析用モデルは、平面視にて矩形形状のモデル作成領域Aの一辺側に沿って4つのフィラーモデル11A,11B,11C,11Dが凝集したフィラー凝集構造を有していた。
FIG. 11 is a conceptual diagram of a composite material analysis model according to Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. As shown in FIG. 11, the analysis model of the composite material used in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 includes four
図12Aは、実施例1に係る伸長解析後の複合材料の解析用モデルの概念図である。図12に示すように、実施例1では、伸長解析前と比較して4つのフィラーモデル11A,11B,11C,11Dが若干移動しているが、伸長解析後においても、モデル作成領域A内で4つのフィラーモデル11A,11B,11C,11Dが凝集したフィラー凝集構造を保持していた。
12A is a conceptual diagram of a model for analyzing a composite material after elongation analysis according to Example 1. FIG. As shown in FIG. 12, in Example 1, the four
図12Bは、本発明の比較例1に係る伸長解析後の複合材料の解析用モデルの概念図である。図12Bに示すように、比較例1では、伸長解析前と比較して4つのフィラーモデル11A,11B,11C,11Dが大きく移動して相互に離れており、4つのフィラーモデル11A,11B,11C,11Dのフィラー凝集構造が解消されていた。
FIG. 12B is a conceptual diagram of a composite analysis model after elongation analysis according to Comparative Example 1 of the present invention. As shown in FIG. 12B, in the comparative example 1, the four
図12Cは、本発明の比較例2に係る伸長解析後の複合材料の解析用モデルの概念図である。図12Cに示すように、比較例2では、伸長解析前と比較して4つのフィラーモデル11A,11B,11C,11Dが移動しているが、伸長解析後においても、モデル作成領域A内で4つのフィラーモデル11A,11B,11C,11Dが凝集したフィラー凝集構造を保持していた。
FIG. 12C is a conceptual diagram of a composite analysis model after elongation analysis according to Comparative Example 2 of the present invention. As shown in FIG. 12C, in Comparative Example 2, the four
図13は、本発明の実施例に係る複合材料の解析用モデルの応力歪曲線を示す図である。図13に示すように、実施例1、比較例1及び比較例2の応力歪曲線を対比すると、応力の増大に伴う歪みの増大が、実施例1(実線L1参照)、比較例1(一点鎖線L2参照)、比較例2(点線L3)の順に小さくなることが分かる。この結果は、実施例1では、伸長解析前後で4つのフィラーモデル11A,11B,11C,11Dのフィラー凝集構造が維持されていたために、応力の増大に対してフィラー凝集構造が強く影響して歪みが増大したためと考えられる。また、比較例1では、伸長解析後に4つのフィラーモデル11A,11B,11C,11Dのフィラー凝集構造が解消されていたために、応力の増大に対してフィラー凝集構造が全く影響せずに歪みが小さくなったためと考えられる。また、比較例2では、伸長解析前後で4つのフィラーモデル11A,11B,11C,11Dのフィラー凝集構造が保持されていたが、実施例1と比較してフィラー凝集構造が若干分散されていたために、応力の増大に対する歪みの増大が実施例1より悪化したためと考えられる。
FIG. 13 is a diagram showing a stress strain curve of an analysis model of a composite material according to an example of the present invention. As shown in FIG. 13, when the stress strain curves of Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 are compared, the increase in strain accompanying the increase in stress is shown in Example 1 (see solid line L1) and Comparative Example 1 (one point). It turns out that it becomes small in order of the comparative example 2 (dotted line L3). As a result, in Example 1, since the filler aggregate structures of the four
表1に示すように、実施例1では、計算時間が、凝集構造保持結合を設けなかった比較例1と同様であるのに対し、弾性率は、大幅に増大していることが分かる。また、比較例2では、弾性率は、実施例1と同様の結果が得られたのに対し、複数のフィラーモデル11A,11B,11C,11Dの大部分に対して相互に引力が作用する解析条件で伸長解析したために、実施例1に対して計算時間が著しく増大していることが分かる。
As shown in Table 1, in Example 1, the calculation time is the same as in Comparative Example 1 in which no aggregated structure-retaining bond is provided, but it can be seen that the elastic modulus is greatly increased. Further, in Comparative Example 2, the elastic modulus obtained the same result as in Example 1, but an analysis in which attractive force acts on most of the plurality of
このように、上述した実施例1によれば、伸長解析前後で複数のフィラーモデル11A,11B,11C,11Dのフィラー凝集構造を保持した伸長解析が実現できるだけでなく、計算時間の著しい増大を防ぎつつ、フィラー凝集構造を保持した状態が反映された複合材料の伸長解析の解析結果が得られることが分かる。
As described above, according to the above-described first embodiment, not only can an extension analysis be performed in which filler aggregate structures of a plurality of
1 複合材料の解析用モデル
11A,11B,11C,11D フィラーモデル
11a フィラー粒子
12AB,12AC,12AD,12BC,12BD,12CD 凝集構造保持結合
21,21A,21B,21C,21D ポリマーモデル
21a ポリマー粒子
21b 結合鎖
21c 架橋結合
50 解析装置
51 入出力装置
52 処理部
52a モデル作成部
52b 条件設定部
52c 解析部
53 入力手段
54 記憶部
55 表示手段
A モデル作成領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Model for analysis of
Claims (7)
ポリマーをモデル化したポリマーモデル及びフィラーをモデル化した複数のフィラーモデルを含む前記複合材料の解析用モデルを作成する第1ステップと、
複数の前記フィラーモデル間に少なくとも1つの凝集構造保持結合を作成する第2ステップと、
前記凝集構造保持結合が作成された前記複合材料の解析用モデルの数値解析を実行する第3ステップとを含むことを特徴とする、複合材料の解析方法。 A composite material analysis method using a composite material analysis model created by a molecular dynamics method using a computer,
A first step of creating a model for analyzing the composite material including a polymer model modeling a polymer and a plurality of filler models modeling a filler;
A second step of creating at least one aggregated structure retention bond between the plurality of filler models;
And a third step of performing a numerical analysis of the analysis model of the composite material in which the aggregated structure-retaining bond is created.
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